Большая советсткая энциклопедия Физико-химическая механика

Физико-химическая механика

Физико-химическая механика, раздел современной коллоидной химии, изучающий зависимость структурно-механических свойств дисперсных систем и материалов от физико-химических явлений на поверхностях раздела фаз (поверхностных явлений). Ф.-х. м. возникла в 30–40-х гг. 20 в. и оформилась как самостоятельная научная дисциплина в 50-х гг. преимущественно благодаря работам сов. учёных, прежде всего П. А. Ребиндера. Ф.-х. м. тесно связана с др. областями коллоидной химии (учением о поверхностных явлениях и поверхностных силах, физико-химией адсорбции и поверхностно-активных веществ, исследованиями устойчивости дисперсных систем, молекулярно-кинетических, оптических, электрических свойств дисперсных систем), а также с молекулярной физикой, физикой и физико-химией реального твёрдого тела, физико-химией полимерных материалов, реологией, механохимией, с рядом разделов геологических и биологических наук.

Объекты изучения Ф.-х. м. – природные дисперсные системы (горные породы и почвы, ткани растений и животных), дисперсные системы в различных технологических процессах (порошки, пасты, суспензии, например промывочные растворы для бурения, эмульсии, смазочно-охлаждающие жидкости) и разнообразные материалы, используемые в промышленности (инструментальные, конструкционные, строительные) и в быту. Ф.-х. м. рассматривает характерное для этих систем и материалов гетерогенное макро- или микронеоднородное строение, в котором проявляется универсальность дисперсного состояния вещества. Такие системы и материалы состоят из связанных между собой частиц (глобул, зёрен, волокон и др.), весьма разнообразных по размерам, но существенно превышающих размеры отдельных молекул и сохраняющих все основные физико-химические, в том числе механические, свойства данного вещества.

Ф.-х. м. различает следующие основные типы пространственных структур, образуемых частицами, в различных физико-химических условиях. Коагуляционные структуры, в которых взаимодействие частиц ограничивается их соприкосновением – непосредственным (например, в сыпучих структурах) или через остаточные слои дисперсионной среды (в суспензиях и пастах); при этом сила сцепления в контакте (прочность) не превосходит обычно 10^-8–10^-7 н (10^-3–10^-2 дин). Для таких структур характерна механическая обратимость, обусловливающая, в частности, их тиксотропию. Структуры с фазовыми контактами, развитыми на площади, значительно превосходящей молекулярные размеры. Эти структуры, как правило, механически необратимы, прочность контактов в них 10^-7–10^-6 н (10^-2–10^-1 дин) и выше. Фазовые контакты развиваются в различных неорганических и органических, кристаллических и аморфных дисперсных системах и материалах при спекании, прессовании, изотермической перегонке, а также при выделении новой, высокодисперсной фазы в пересыщенных растворах и расплавах, например в минеральных вяжущих и полимерных материалах; сплошные материалы, в частности металлы и сплавы, можно рассматривать как предельный случай полного срастания зёрен. Каждая структура характеризуется определённой дисперсностью: размером частиц и, следовательно, числом контактов на 1 см² сечения, которое составляет, например, 10²–10³ для порошков с частицами в десятые доли мм и достигает 10¹¹–10¹² для таких высокодисперсных систем, как алюмосиликагели. Ф.-х. м. рассматривает механические (реологические) свойства – наиболее общие и важные характеристики всех дисперсных систем и материалов в зависимости от их структуры, обусловленной взаимодействием частиц; таковы вязкость, пластичность, тиксотропное поведение коагуляционных структур с определённой зависимостью сопротивления сдвигу от скорости течения, упруго-пластическое и упруго-хрупкое поведение твердообразных дисперсных систем и материалов (с фазовыми контактами), характеризующихся определённой прочностью, долговечностью, износостойкостью. Так, в простом случае глобулярной пористой монодисперсной структуры прочность может быть приблизительно равна произведению числа контактов между частицами (на 1 см²и средней величины силы сцепления в отдельном контакте, изменяясь в зависимости от типа контактов и дисперсности в очень широких пределах (например, от 10 до 10⁸ н/м².

Вместе с тем Ф.-х. м. устанавливает определяющую роль физико-химических явлений на границах раздела фаз (смачивание, адгезия, адсорбция, изменение величины межфазного натяжения, образование особых граничных слоев) во всех процессах взаимодействия частиц и структурообразования. На этой основе Ф.-х. м. развивает свои ведущие представления о возможности и эффективности управления структурно-механическими свойствами дисперсных систем и материалов при оптимальном сочетании механических воздействий (например, вибрационных, импульсных) и физико-химических факторов, прежде всего состава среды и малых добавок поверхностно-активных веществ. Последние, концентрируясь на границах раздела (адсорбируясь на поверхности частиц), позволяют при правильном их выборе радикально изменять свойства данной границы в нужном направлении, обеспечивая хорошее сцепление частиц, либо, наоборот, ослабляя и преодолевая силы сцепления. Так, в лиофобных системах (стеклянные частицы в углеводородных средах, гидрофобизованные поверхности в полярных жидкостях и др.) свободная энергия достигает в коагуляционных контактах десятков эрг/см², а в лиофильных системах (например, гидрофобизованные монослоями поверхностно-активных веществ полярные частицы в углеводородной среде) составляет сотые доли эрг/см².

В соответствии с явлениями и процессами, рассматриваемыми Ф.-х. м., можно выделить следующие её основные направления: 1) изучение возникновения и разрушения всевозможных пространственных структур как взаимодействия частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды, включая и различные этапы получения материалов (в том числе композиционных) с заданный дисперсной структурой и совокупностью механических и физико-химических характеристик; 2) исследование физико-химического влияния среды и её поверхностно-активных компонентов на механические свойства разнообразных сплошных и пористых твёрдых тел и материалов (Ребиндера эффект), выяснение условий использования эффекта Ребиндера для облегчения обработки материалов и предотвращения его возможного вредного влияния; 3) анализ закономерностей и механизма сцепления поверхностей твёрдых тел (контактных взаимодействий) в условиях граничного трения, износа, смазывающего действия, формирования покрытий и др.

Для Ф.-х. м. характерно всестороннее изучение структурно-реологических (особенно нелинейных) характеристик дисперсных систем при широком варьировании условий: напряжённого состояния, температуры, состава среды, пересыщений и др.; непосредственное экспериментальное изучение элементарных актов при контактных взаимодействиях; разнообразные механические испытания твёрдых тел и материалов в активных средах; использование математического моделирования и численных методов для описания реологических свойств дисперсных систем и для анализа молекулярного механизма влияния среды.

На основе общих принципов Ф.-х. м. разработаны методы диспергирования и управления свойствами дисперсных систем и различных материалов, широко используемые: 1) в гетерогенных химико-технологических процессах (например, при производстве бумаги, в текстильной и лакокрасочной промышленности, при получении теста и кондитерских масс, топливных композиций и др.); 2) при приготовлении всевозможных материалов, например керамики, катализаторов и сорбентов, разнообразных полимерных материалов, при затворении цементного раствора, подготовке асфальтобетонов, формовочных земель, составлении композиций в порошковой металлургии, закреплении грунтов. 3) для облегчения процессов помола, бурения твёрдых горных пород, измельчения руды перед обогащением, обработки резанием; и наоборот, для повышения стойкости и долговечности конструкционных и др. материалов в активных средах; 4) для оптимизации контактных взаимодействий, например при обработке металлов давлением, при эксплуатации узлов трения в машинах, механизмах и приборах.

Лит.: Ребиндер П. А., Физико-химическая механика, М., 1958; Лихтман В. И., Щукин Е. Д., Ребиндер П. А., Физико-химическая механика металлов, М., 1962; Физико-химическая механика дисперсных структур. Сб., М., 1966; Успехи коллоидной химии, М., 1973.

Е. Д. Щукин.